垂直应力作用下骨盆旋转位时的生物力学研究

目的运用生物力学实验技术在扭转实验机上对垂直并旋转不稳定型骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行了初步探讨。方法选取正常成人骨盆实验标本12具,模拟正常人在单纯垂直应力作用下、单纯旋转应力作用下、垂直并旋转应力作用下、不同工况时,骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆关键部位的受力状况,用应变仪获得骨盆各关键点的主应变、主方向,以及骨盆的极限应力及极限扭矩。结果①单纯垂直压缩状态下,在骨盆环结构中,骶髂关节附近(尤以骶骨侧)承载压、拉应变最大,耻骨、坐骨支最小。②单纯扭转状态时,骨盆各点所受拉应变明显增加,尤以耻骨上支处增加最为明显;各实验点中以左骶髂关节髂骨侧所受拉应变最大,而左骶髂关节骶骨侧所受压应变最大,且应变值随着扭矩增加而增加。③骨盆标本在单纯垂直应力状态下的屈服点载荷均值为2860N,极限载荷3600N;在单纯扭转状态下的屈服点扭矩均值为12.5°,极限扭矩15°。④无论在垂直应力或扭转应力下,髋臼前柱应变值均明显高于后柱。⑤耻骨支仅参与维持骨盆环的旋转稳定性,而骶髂关节对于维持骨盆环的垂直及旋转稳定性均至关重要。结论①垂直应力作用下骨盆旋转位时各实验点应变值远高于单纯垂直应力状态或单纯扭转状态。②骶髂关节等后环结构对于维持骨盆环在垂直及旋转应力下骨盆环的稳定性至关重要。     

站、坐位态骨盆应力分布的实验研究

目的：明确骨盆的应力分布，指导骨盆肿瘤瘤段骨切除后骨盆环的重建及人工半骨盆的设计与固定。方法：实验取完整骨盆的新鲜尸体（意外死亡）4具，采用应变计测量方法，对不同状态下骨盆的应力进行分析。结果：站立时，骶髂关节中部、耻骨支、髋关节前上方承受较大的压应变；而坐位时，坐骨支、骶髂关节中下部、耻骨支均承受较大的压应变。结论：站立时应力主要是经髋臼的前上方耻骨、骶髂关节传导，人工半骨盆置换设计与置换时，其结构应予加强，并作到确切固定，尤其是骶髂关节的中下部。     

正常步态周期中髋臼周围区域的应力分布及其在THA髋臼重建中的指导

目的 研究健康成人步态周期中髋臼周围内外应力分布基本规律,探求这些规律对全髋关节置换（total hip arthroplasty, THA）髋臼侧重建的临床指导作用。方法 采用CT 扫描获取1名男性和1名女性健康中年志愿者骨盆与股骨近端数据并构建三维模型。通过基于CT值计算材料弹性模量的非均匀材料赋值方案及其收敛性分析为各个有限元网格单元独立赋值。根据正常步态行走中髋关节接触力在步态周期中的动态变化施加载荷条件。以模型内外节点的Von Mises应力为标准进行结果判断。结果 在正常步行中,从男、女志愿者髋骨外表面看,应力主要从髋臼后上方沿髂翼后外侧经坐骨大切迹传递至耳状面,应力最大值出现在坐骨大切迹附近;从男、女志愿者髋臼上、中、下3个剖面看,应力在髋臼后上方的骨皮质与骨松质均有分布,而在髋臼的前柱与后柱,应力则主要分布于骨皮质上。结论 根据健康成人髋臼周围正常步态应力传递与分布规律,选择更合适大小的髋臼假体以及更精确地控制髋臼假体的安放位置有助于获得更符合正常步态应力分布的髋臼重建方案。     

经皮逆行髋臼前柱螺钉的应用解剖与临床

目的 应用优化计算机辅助解剖测量技术,为经皮逆行髋臼前柱螺钉内固定术提供解剖学基础.方法 取骨盆CT数据40份,进行精确的三维重建得到骨盆模型.首先为使用单螺钉的内固定方法设计特定的最优化目标函数,并在约束条件下自动计算其最佳经皮逆行螺钉位置.统计分析测量结果,并设计解剖测量参考体系.结果 经皮逆行髋臼前柱螺钉的入钉点在耻骨上支耻骨结节与髂耻隆起中点处的闭孔嵴上,出钉点在髂前上下棘之间切迹与坐骨大切迹连线中点上方,其连线即为髋臼前柱纵轴.该线与弓状线接近平行,其进针方向与出钉点-髂前下棘连线为(42.84±2.61)°,与出钉点-髂结节连线为(31.96±2.58)°.螺钉骨内段长度为(101.12±7.28)mm.结论 优化计算机辅助解剖测量是一种非常有效的测量技术,克服了传统手工实物解剖测量的很多缺点,便于设计解剖测量参考体系和制定临床手术方案.经皮逆行髋臼螺钉技术可用于髋臼前柱骨折的临床治疗.     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

静态应力作用下骨盆侧方撞击的生物力学研究

目的构建侧方静态应力作用下骨盆骨的尸体模型,运用生物力学试验技术在垂直应力试验机上对单纯侧方受力导致的旋转不稳定骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行初步探讨。方法选取正常成人骨盆试验标本12具,其中男性7例,女性5例;年龄45～68岁,平均年龄57.32岁。分为2组,每组6具。构建侧方撞击的生物力学模型,测量单纯静态侧方应力作用于髂嵴或股骨大粗隆时,不同工况下骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆常见骨折部位的受力状况,用应变仪获得各试验点的主应变、主方向、垂直位移,以及测量静态应力下骨盆骨折阈值,并构建应变-时间曲线。结果①500 N静态侧方应力作用于髂嵴时,骨盆环结构中固定侧髂骨翼,对侧耻骨上支承载压（397±43）、拉应变（113.2±11.4）最大,受力侧坐骨支应变最小（23±7）;髂骨翼位移最大（4.6 mm）,髂嵴在静态侧方应力作用下的极限载荷（3 752±425）N;②股骨大粗隆在500 N静态侧方应力作用下,在骨盆环结构中,对侧耻骨上支承载压（277±31）、拉应变（401±53）最大,受力侧髂骨应变值最小（35±11）;左耻骨支位移最大（2.3 mm）。股骨大粗隆在侧方应力作用下的极限载荷（4 207±617）N;③静态侧方应力作用于股骨大粗隆时产生的骨盆各点位移均小于作用于骨盆髂嵴时产生的位移。结论①耻骨支及耻骨联合等骨盆前环结构对于维持侧方应力下骨盆环旋转稳定性至关重要。②生物力学试验能较好地反映静态侧方应力撞击下骨盆骨的生物力学特性。     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

三维重建模型模拟拉力螺钉固定髋臼后柱骨折的研究

目的　为经坐骨小切迹置入拉力螺钉内固定髋臼后柱骨折提供应用解剖学基础。 方法　用60例正常成人骨盆CT数据（男30例,女30例）,导入Mimics14.1行三维重建,观测骨盆三维模型髋臼后柱的纵轴走向,模拟置钉并确立螺钉穿出点。测量髋臼后柱纵轴的长度、后柱纵轴与冠状面夹角α和矢状面的夹角β,测量进针点及后柱盆腔侧、髋臼侧骨皮质厚度。 结果　髋臼后柱轴线向下穿出点位于坐骨小切迹中点,向上穿出点位于弓状线后端与髂前上棘连线中点。髋臼后柱纵轴的长度男性（105.04±　4.29）mm、女性（101.80±3.20）mm,α角男(33.41±2.18)°、女(31.56±2.71)°,β角男(21.74±1.19)°、女(19.15±　1.24)°。进钉点骨皮质厚度为(5.54±0.46)mm,盆腔侧和髋臼侧分别为(1.45±0.13)mm、(1.04±0.10)mm。 结论　三维重建模拟经坐骨小切迹中点行后柱拉力螺钉内固定,可快捷、准确测量钉道参数并进行术前评估,用该方法置入拉力螺钉固定后柱安全简便。     

经腹直肌外侧切口入路治疗髋臼骨折的解剖学研究

目的　探讨经腹直肌外侧切口入路治疗髋臼骨折的安全性及临床应用价值。方法 新鲜成人尸体标本5具（3男2女）,同一尸体右侧腹壁行大体解剖,熟悉入路周围的解剖结构,左侧应用腹直肌外侧切口入路,模拟术中操作,显露骨盆环,进行解剖学观察,重点测量记录死亡冠血管相关解剖学参数。结果 （1）经腹直肌外侧入路的显露范围包括：耻骨联合至骶髂关节在内的真性骨盆环、髂骨翼、髋臼方形区和坐骨体内侧的髋臼后柱大部分。（2）根据对5具10侧骨盆的死亡冠统计分析发现,死亡冠的出现率为80%（8侧）,直径为（2.1±1.9）mm,长为（4.7±0.5）cm,距离耻骨联合的距离为（4.9±0.4）cm。男女之间差异无明显统计学意义。结论 经腹直肌外侧切口入路治疗髋臼骨折能够在不损伤重要神经血管的条件下,经腹膜外间隙对包括骶髂关节在内的大部分骨盆环结构进行显露。尤其方便显露结扎死亡冠,对髋臼后柱及髋臼内侧方形区的显露较传统入路有明显优势。     

国人尺骨静态弹性范围内力学性质的测定

试验采用３０～３５岁年龄组，男性坚固无损的干燥尺骨与３５岁男性死后仅１２小时冷藏新鲜尺骨，均截取相同的部位，制成整体试件，分１２组，分别在ＺＤＭ－１０型万能材料试验机、Ｙ型杠杆引伸仪或用应变片在ＹＪ－５型电阻应变仪上进行测定，　描绘出应力应变曲线：且将干燥尺骨与新鲜尺骨的测试结果做了对比。     

骶髂螺钉LX 固定方式的生物力学特性分析

目的　研究骶髂螺钉LX固定方式与目前常规骶髂螺钉固定方式的拔出强度、刚度、能量吸收，确定比较符合人体生物力学要求的固定方式。方法　8具甲醛固定湿润成人尸体的正常骨盆标本，平均年龄23~45岁。骨密度测量排除骨质疏松，排除畸形、肿瘤、外伤等异常。将骨盆等分锯成两半，左侧组采用骶髂螺钉LX固定，置入正、负应力骶髂拉力螺钉，沿着骶髂关节复合体的压力带和张力带轴线，分别置入骶髂关节复合体的张力带和压力带；右侧组置入常规骶髂拉力螺钉。测量拧紧力矩、轴向拔出力、相对位移、应变、能量吸收。结果　拧紧力矩与骨密度、拧紧力矩与轴向拔出力、轴向拔出力与骨密度之间存在明显的正相关关系(P<0.05)。左侧组拔出力为(1158.10±29.20)N，比右侧组(791.2±44.6)N高32%(P<0.05)。右侧组的吸收能量为(6.52±0.78)J，左侧组的吸收能量为(11.75±1.45)J，左右两侧总的能量相比，左侧比右侧大(P<0.05)。结论　骶髂螺钉LX固定方式的强度和刚度均高于常规骶髂螺钉固定，拔出螺钉需要的能量亦大，具有生物力学优势，有利于骶髂复合体修复，更符合人体工程学要求。     

Mechanical characterization of commercially made carbon-fiber-reinforced polymethylmethacrylate

Acrylic bone cement is significantly weaker and of lower modulus of elasticity than compact bone. It is also weaker in tension than in compression. This limits its use in orthopedics to areas where tensile stresses were minimum. Many authors have shown that addition of small percentages of fiber reinforcement by hand mixing improved the mechanical properties significantly but with variable results. In this investigation we have examined the mechanical properties of machine-mixed, commercially available carbon-fiber-reinforced bone cement. Appropriate samples of normal low-viscosity cement and carbon-fiber-reinforced cement were prepared and tested mechanically. Carbon fiber increased the tensile strength and modulus by 30% and 35.8% respectively. The compression strength and modulus, however, increased by only 10.7%. Similarly, bending and shear strengths improved by 29.5% and 18.5%, respectively. Diametral compression strength, which is an indirect measure of tensile strength, however, showed only 6.2% improvement. The maximum temperature rise during polymerization was also reduced significantly by the fiber reinforcement.     

两种不同材料外固定支架固定胫骨骨折的生物力学研究

目的 通过在实体胫骨上对两种不同弹性模量的外固定材料进行生物力学测试,探讨两种不同弹性模量的外固定材料对胫骨骨折应力及其分布的影响。方法 选择12套成人尸体胫骨,将胫骨中段横行锯断,制作胫骨骨折模型。将骨折标本解剖复位后分别以铝合金材料外固定支架（高弹性模量,弹性模量为110 GPa）和PEEK、碳纤维树脂材料外固定支架（低弹性模量,弹性模量为7.0 GPa及11.4 GPa）固定。在骨折断面及钉道周围共粘贴13个电阻应变片,然后将模型分别置于Zwick Z100电子万能材料实验机及扭转试验机（RNJ-500）上,以线性载荷0 ~ 600 N、扭转载荷0 ~ 2.5 N？m加载,分析局部应力,测量两种不同材料外固定系统在相同载荷条件下骨折断面及钉道周围应力的大小和分布特点。结果 在实验载荷条件下,传统外固定支架和高分子外固定支架骨折断端和钉道周围应力均随着轴向载荷或扭转载荷的增大而增大。在同一线性载荷或扭转载荷下,高分子外固定支架组较传统外固定支架组在13个测试应变点应变值应力分布更均匀,应变值大,其差异均有显著统计学意义（P 〈 0.01）。 结论 高分子材料外固定器治疗骨折中可明显降低应力遮挡,从而利于应力传导,从生物力学角度可以推广使用。     

Characterization of the mechanical and ultrastructural properties of heat-treated cortical bone for use as a bone substitute.

Heat-treated bovine cortical bone has been proposed as an alternative to bone grafts and synthetic bone substitutes because it may combine the advantages of allografts (high stiffness and strength) and synthetic materials (abundant supply, reduced risk of rejection and disease transfer). Its mechanical properties and ultrastructure, however, are not well characterized. To address this, we compared the compressive (n = 20, bovine bone) and tensile (n = 26, bovine bone) mechanical properties and the ultrastructure (n = 12, human bone) of intact versus 350 degrees C heat-treated cortical bone. The 350 degrees C heat-treated bone had a mean +/- SD elastic modulus similar to the intact bone for both compression (16.3 +/- 2.2 GPa, pooled; p = 0.68) and tension (16.3 +/- 3.7 GPa, pooled; p = 0.95). It also maintained 63% of the intact strength in compression but only 9% in tension (p < 0.001). Infrared scans and X-ray diffraction patterns showed no differences between the 350 degrees C heat-treated and intact bone but large differences between ashed (700 degrees C) and intact bone. Similarly, heat-treated bone previously has been shown to be biocompatible and osteoconductive. We conclude, therefore, that 350 degrees C heat-treated cortical bone may be an excellent load-bearing bone substitute provided that it is loaded in compression only in vivo and is shown by future work to have acceptable fatigue properties.     

股骨近端主张力骨小梁生物力学特性

目的 研究股骨近端主张力骨小梁的生物力学性能,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据.方法 取8个正常国人(45 ～60岁)尸体股骨,排除畸形、骨折等病变.将近端主张力骨小梁系统从外侧到内侧分成3个区,在每个区内沿主张力小梁方向及与其垂直方向切取骨小梁试件,并分别在EnduraTEC ELF3200生物力学...     

新型镍钛记忆合金掌指关节假体的生物力学研究

目的 探讨新型镍钛（Ni-Ti）记忆合金掌指关节假体的轴向压缩刚度特征,为该假体的临床应用提供生物力学依据。方法 选用10侧完整成人新鲜手标本,按数字表法随机分为假体组和对照组,每组5侧。假体组分别在第2~5掌指关节置入新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体,对照组标本只做切开及缝合处理。假体组和对照组手标本分别解剖游离出第2~5掌指关节,分别以伸直位、屈曲30°、屈曲60°固定于BOSE材料试验机上,分别在载荷为50、100、150、200、250、300、350 N时记录标本的轴向压缩位移,计算垂直和屈曲载荷状态下的轴向压缩刚度。所有标本实验后使用X线机透视,观察有无骨折,有无假体松动、断裂等情况。在假体组和对照组的组内和组间,分别比较第2~5指掌指关节在伸直位和屈曲30°、60°位时轴向压缩刚度。结果 所有标本实验后X线机透视检查显示,无明显骨折,假体无松动、断裂等情况。假体组和对照组第2~5掌指关节的轴向压缩刚度均随着掌指关节屈曲角度的增大而逐渐减小。假体组与对照组比较,第2~5指掌指关节伸直位时轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）;屈曲30°、60°时假体组轴向压缩刚度均大于对照组,差异均有统计学意义（P值均<0.05）。假体组和对照组组内比较,在伸直位和屈曲30°、60°位时,不同掌指关节间轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）。结论 新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体轴向压缩刚度符合正常掌指关节的生物力学特征。置入该假体后,不同掌指关节在不同屈曲角度下均具有良好的稳定性。     

后路单钉棒治疗骶髂关节脱位的生物力学特性及其有效性

背景：目前骶髂螺钉广泛应用于治疗骶髂关节脱位,但是生物力学性能较差,不能达到坚强内固定。 目的：探讨应用单钉棒治疗骶髂关节脱位的力学强度及临床疗效。 方法：①取成年防腐标本12具,男女各半,分别切断骶髂关节韧带及耻骨联合结构,制作骶髂关节脱位、耻骨联合分离模型,将标本随机等分为骶髂螺钉固定组和骨盆后路单钉棒固定组,分别采用骶髂螺钉固定和骨盆后路单钉棒固定方法固定。②设定单钉棒系统临床适应证,收集16例骶髂关节脱位患者的临床资料,采用Mears的影像评定标准和骨盆骨折Majeed疗效评分评定固定效果。 结果与结论：在相同载荷下,骶髂关节标本后路单钉棒固定组的位移、轴向刚度、极限载荷和屈服载荷均大于骶髂螺钉组(P < 0.05)。16例患者随访时间平均为23.2个月(3~45个月)。根据Mears的影像评定标准,固定后解剖复位13例,满意3例。骨盆骨折Majeed疗效评分为60~100分,平均82分;其中C1型骨折的疗效优良率为82%,C2型为80%。提示与骶髂螺钉比较,应用后路单钉棒治疗骶髂关节脱位,其内固定强度更为可靠,临床疗效也更满意。